齒輪表面微織構技術應用研究進展

朱佳柏，楊曉紅，楊 澈，葉 霞

（1.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001；2.江蘇理工學院 材料工程學院，江蘇 常州 213001）

齒輪一般在機器中起到傳遞運動、力和扭矩的作用。某些大型器械上的齒輪不僅精度要求高、造價昂貴，而且往往是該器械的核心部件，這一類齒輪一旦損壞，不僅會造成巨大的經濟損失，還會給操作人員帶來嚴重的安全隱患。隨著我國工業的不斷發展，對齒輪的性能要求越來越高，尤其是在高質量的高速重載齒輪方面。目前，更高精度的齒輪傳動技術已成為制約我國頂尖機械國產化的瓶頸之一[1]。在齒輪傳動過程中，齒輪摩擦界面的環境十分復雜，強大的應力、較高的溫度以及乏油潤滑等情況都易引發齒輪的失效。如果這些情況不被及時控制，齒輪的摩擦磨損會進一步加劇，產生更大的振動與噪音，進而危害機械的正常運轉[2-5]。

如何改善齒輪工作界面的性能已成為近年來的研究熱點，目前的方法有：（1）齒輪表面改性技術。如表面淬火[6]、噴丸強化[7]、滲碳滲氮[8]等。（2）表面涂覆技術。例如，通過激光熔覆法在齒輪表面涂覆一層納米TiC梯度功能涂層，可以提高齒輪的耐磨性等[9]。（3）使用更好的潤滑劑[10]。例如，在潤滑劑中添加納米TiO2和SiO2粒子能夠在齒面形成一定厚度的表面吸附膜，提高了齒輪的耐磨性。（4）優化齒輪的加工工藝。比如，選取更好的齒輪材料[11]、使用更佳的加工方法[12]、采用更適合的齒輪修形方案[13]等。（5）表面織構化技術。人們把仿生學應用到摩擦學中，針對復雜工況下齒面摩擦磨損等問題，參考大自然中的減摩減阻現象，提出了在齒輪表面添加微結構的思路。該技術目前多應用于齒輪[14]、刀具[15]、活塞環-缸套[16]、密封裝置[17]、滑動軸承[18]等領域，有效改善了工作表面的摩擦性能。

相比表面改性技術的較大加工應力殘留、表面涂覆技術的較差耐磨性、改善齒輪整體材料的過高成本，表面織構化技術因具有更好的耐磨性、更優的潤滑性能以及能夠改善齒輪振幅與固有頻率的優點，逐漸成為研究的熱點。近年來，國內外學者對齒面織構化技術進行了深入研究，研究方向包括表面微結構的制備方法，表面微結構的形貌參數對織構化齒輪的潤滑性能、摩擦學性能、動力學性能等方面的影響。

1 齒面微結構的制備方法

1.1 常規加工工藝生成齒面微結構

首先，在齒輪的生產流程中，各道加工工藝不可避免地會在齒面留下痕跡，不同工藝下殘留的表面紋理對齒輪的性能影響不同。例如，在齒輪成型階段，磨齒和剃齒兩種加工工藝對齒輪的潤滑性能影響就各不相同[19]：當控制齒面粗糙度增大時，由磨齒產生的具有橫向紋理的齒輪，其油膜厚度增大，而剃齒產生的具有縱向紋理的齒輪，其油膜厚度卻呈減小趨勢，并且剃齒齒輪的表面更易產生較大的應力。因此，磨齒齒輪相對具有更好的性能。在表面光整階段，磨削、銑削和電化學光整加工三種工藝所產生的不同形貌的微結構，對齒面法向接觸剛度和阻尼亦有較大影響[20]。研究結果表明：齒面法向接觸剛度和阻尼會隨著微結構分形維數的增大而增大，隨著特征尺度的增大而減小；而與磨削和銑削加工相比，電化學光整加工后的齒面微觀形貌分形維數更大，特征尺度更小，從而使齒面法向接觸阻尼更大，降低了齒輪工作時的振動幅度，提高了齒輪的傳動穩定性。

1.2 激光刻蝕法制備齒面微結構

激光刻蝕法是通過將能量聚集在齒面需要加工的局部區域，使該區域的材料熔化、氣化，以達到所需效果的一種方法。激光刻蝕輔以夾持裝置、電機驅動裝置和數控系統，最終完成在齒輪表面的微結構制備，如圖1所示。激光刻蝕加工屬于常規齒輪加工工藝之后的二次加工，其刻蝕出的微結構尺寸一般大于常規加工工藝留下的微結構尺寸。隨著短波長和短脈寬激光的發展，激光刻蝕加工技術已經成為制備表面微結構的重要手段之一。

圖1 激光制備齒面微結構

激光刻蝕法制備齒面微結構時，首先需要設置科學的激光參數。明興祖等人[21-22]先后研究了飛秒脈沖激光、納秒脈沖激光加工20CrMnTi齒輪過程中的燒蝕特性。研究結果表明：當齒面溫度達到材料氣化溫度時，材料去除率明顯提高，齒面粗糙度降低；隨著溫度的繼續升高，燒蝕坑深度逐漸增大，但燒蝕率會下降，這是因為溫度的升高無法改變材料表面的物理性能；飛秒脈沖激光的最佳能量密度為7.64 J/cm2，加工時幾乎不會產生熱影響區，得到的織構更加精細，但是其燒蝕作用只發生在材料表面，對材料內部的影響并不明顯；納秒脈沖激光的最佳能量密度為0.067 J/cm2，它的燒蝕深度能夠達到幾十微米，能加工出的尺寸范圍更廣，但會產生許多毛刺。

通常，需要激光刻蝕的區域是輪齒易發生斷裂的齒根處和易發生齒面點蝕的齒輪節圓附近。呂尤[23]使用CT-200Ⅱ數控激光刻花機在齒輪表面進行加工。他設置脈沖激光器定點打標，并以數控機床控制齒輪的旋轉和移動，成功在輪齒節線附近區域刻蝕出網格狀微結構；后續性能檢測表明，制備出的織構化齒輪具有更長的使用壽命。張永勝[24]使用JG20-1激光表面毛化處理機，以電機控制齒輪的轉動，以指令控制激光束在指定區域內掃描刻蝕出微溝槽結構。經激光共聚焦顯微鏡觀測，所加工出的微結構符合預設要求。邵飛先[25]則使用了激光智能仿生再制造系統在齒輪材料表面制備出了凸包型微結構。此系統的激光器由一個具有六個自由度的機械手控制，搭配控制系統能夠在工件上加工出三維立體的微結構，并且具有極高的重復精度。Petare等人[26]在激光毛化刻蝕法的基礎上，輔以磨粒流光整加工，在原本的溝槽狀織構上磨出了一層與之垂直的紋理，形成網狀紋理，同時也磨去了激光毛化處理時產生的毛刺，改善了齒面的微觀形貌，如圖2所示。后續性能檢驗發現，此方法較單一的激光刻蝕法，提升了齒面的抗接觸疲勞性能和抗磨損性能。激光毛化處理與磨料流光整加工兩者相輔相成，大大提高了齒輪的工作性能和使用壽命，降低了其工作時的噪聲和振動。

圖2 激光毛化輔以磨料流光整加工

1.3 掩膜電解法制備齒面微結構

電化學法是處于常溫狀態下的無機械切削力的加工手段，加工出的表面不會產生變形與毛刺，且適用于大批量加工，經濟且快速。張騰飛[27]采用掩膜電解加工技術進行齒面微溝槽的加工。他選擇負性光刻膠對齒面進行涂覆，覆蓋上一層設計好形狀的掩膜板后置于紫外光下曝光，使一部分光刻膠發生交聯反應；曝光完成后，將齒輪浸于顯影劑中，發生交聯反應的部分被除去，即獲得所需的光刻膠圖案；電解時，以齒輪為陽極黃銅為陰極，NaCl、NaNO3等鹽溶液為電解液進行電解，最后經除膠處理得到齒面帶有微溝槽的齒輪工件，如圖3所示；后續分析了不同加工參數對齒面微結構形貌的影響，證實了掩膜電解加工技術的可靠性。

綜上，經對比發現：常規加工工藝留下的微結構的尺度較小，對齒輪性能改善的能力較弱；激光刻蝕法能夠較為精準地加工出一定尺寸的微結構，但會留下殘余熱應力，并有較大毛刺需要后續處理；掩膜電解法能夠一次性大批量地完成加工，更加經濟快捷，但前期準備較為麻煩，且無法精確控制微結構的深度。

2 織構化技術對齒輪性能的影響

2.1 微結構對齒面潤滑性能的改善

圖3 模板電解制備齒面微結構

齒面潤滑后，赫茲接觸面間易生成油膜，而高低起伏的微結構則起到了干涉齒面潤滑油流動形態的作用。微小的凹坑不僅能夠儲存余量的潤滑油以確保齒面間的接觸為固-液接觸，改善齒輪的潤滑效果，還能在高負載狀態下產生額外的液壓來承擔一部分載荷，提高了齒輪的壽命。徐彩紅等人[28]研究發現：在粗糙度較小的情況下（小于0.1μm），微織構的存在反而會使齒條傳動機構的壓力、膜厚和溫升出現波動，對潤滑不利；而隨著齒面粗糙度的適當增加，潤滑性能不降反升。李榮榮等人[29]分析了粗糙度逐漸增大時橫、縱紋理對齒面潤滑性能的影響，結果表明：適當提高齒面粗糙度時（大于0.5μm），橫向紋理對油膜厚度起增大作用，而縱向紋理對油膜厚度起減小作用。高創寬等人[19]在此基礎上研究了適當提高表面粗糙度時，橫縱紋理對齒面應力變化的影響，發現兩者均比光滑表面有更大的接觸應力，但橫向紋理齒輪的表面接觸應力更接近光滑齒輪。黃尚仁等人[30]研究了乏油條件下表面紋理參數和表面粗糙度對齒面油膜壽命的影響，同樣得出了表面粗糙度的適度增加可以延長油膜壽命的結論。所以，可以用其他方法在齒面加工出較大尺寸規整的微結構來達到這一效果。何國旗等人[31]以激光打標法在齒面加工出具有一定尺寸的微凹坑結構，并分析了齒面油膜厚度的變化情況；研究結果表明，凹坑型微結構在一定范圍內能有效增加工作時齒面的油膜厚度。徐勁力等人[32]進一步研究了空化效應下齒面微結構參數對雙曲面齒輪油膜承載力的影響，結果表明：若不考慮齒輪工作時存在的空化效應，最佳的表面形貌是截面為方形或梯形的結構；若考慮空化效應，則方坑型微結構具有最大的油膜承載力，同時其齒面摩擦力也最小，能夠有效改善齒面的潤滑。肖洋軼等人[33]將織構化技術和表面涂敷技術相結合，研究了表面微織構涂層的形貌參數對系統彈流響應的影響；研究結果表明，涂層基體的彈性模量差會影響齒面的應力集中，但存在一個最優的織構深度、寬度和密度，使得鍍膜齒輪的潤滑性能達到最佳。

2.2 微結構對齒輪摩擦磨損性能的改善

在齒面構筑了微結構后，齒輪得到了更好的潤滑，摩擦學性能隨之提升。湯麗萍等人[34]對比了激光凹坑織構（半徑68μm、深度1.5μm）、Magg交叉紋理（寬度32μm、深度0.35μm）、普通磨削紋理（寬度64μm、深度0.7μm）的摩擦磨損性能，結果為激光凹坑織構最優。這也證實了適當提高齒面粗糙度能夠提升齒輪的摩擦性能。Greco等人[35]單獨研究了激光凹坑織構（直徑85μm、深度7.4μm）對齒面抗磨損性能的影響，結果表明：紋理化試件的刮傷臨界載荷比無紋理試件增加了183%，但在高載荷下齒輪的磨損率略有增加，而齒尖、齒根處所受載荷低于齒輪節線處，且出現的失效形式多為擦傷，故適用此微結構。該研究為了盡快得到齒輪刮傷的臨界載荷，所加載荷較大（200~1 000 N）。與之相比，Choi等人[36]則在較低載荷下（2~10 N）測試了齒面凹坑微結構密度對其摩擦學性能的影響，測試結果表明：隨著微結構密度的增大，表面摩擦系數先減小后增大，最佳密度為12.5%；隨著載荷的增大，表面摩擦系數逐漸減小。而在齒輪常見載荷下（50~500 N），邵飛先[25]研究了乏油條件下凸包型、微圓坑型、微方坑型耦合仿生微結構的摩擦學性能，研究結果表明：具有一定深度的圓坑型微結構具有更好的減磨減阻效果，在載荷為50~100 N時，其摩擦系數隨著載荷的增加會不斷減小；隨著載荷的繼續增大，表面形貌就會被破壞，摩擦系數隨著載荷的增加而增加。上述研究表明，在不同載荷下，表面具有一定尺寸微結構的齒輪有更好的摩擦學性能。但由于他們試驗時摩擦面間的接觸方式與齒面間實際接觸方式不同，故試驗方案仍需改進。

根據赫茲接觸理論，可以得出齒輪嚙合時是面接觸而非線接觸[37]，由此我們可以通過赫茲接觸公式計算出齒輪嚙合面間的赫茲接觸壓力P，以此來對比不同接觸情況下嚙合點處所受壓力的情況，見式（1）：

式中：F為所受載荷，b為接觸區域長度，ρ1、ρ2分別為兩齒輪嚙合點處的曲率半徑，μ1、μ2、E1、E2分別為兩齒輪的泊松比和彈性模量。

為了與實際情況相貼合，姜莉莉等人[38]選擇了環-塊線接觸式摩擦磨損試驗機來模擬齒輪嚙合時的接觸方式。實驗結果為：面密度20%、深徑比0.075的凹坑結構綜合性能最優，且最佳形貌在高速輕載時可發揮出最佳的減摩耐磨性能；過大的面密度與深徑比反而會降低齒輪的減摩減阻性能。為了方便比較，使用公式（1）將其所受力的大小轉換為赫茲接觸壓力，制得圖4、圖5。此方法較好地模擬了齒輪嚙合時的接觸方式，但缺陷是實驗中的摩擦形式為單一的滑動摩擦，忽略了齒輪嚙合時滾動摩擦的存在。Li等人[39]彌補了這一問題。他們采用了雙盤對滾摩擦實驗，通過控制兩圓盤的轉速，來達到控制摩擦面間滾滑比（SR）的效果。以面密度9%、深徑比0.04的微結構為例，試驗結果如圖6、圖7所示：在SR為5%時，齒面摩擦系數會隨著載荷的增加而降低，隨著表面卷吸速度的增加而增加；但在SR為25%時，齒面摩擦系數在高載荷下表現為隨著表面卷吸速度的增加反而降低。由此看來，在研究微結構齒面摩擦學性能的變化規律時，齒面間的滾滑比不可忽視。

朱佩元等人[40]同樣選擇了圓柱滾子對滾實驗研究了凹槽形微結構的減摩耐磨性能，得到的最佳形貌為深10~40μm、寬140~170μm。呼詠等人[41]則發現，激光制備仿生溝槽微結構時，在凹槽邊緣留下的較大殘余壓應力能夠中和一部分有害應力，也起到了提高齒輪耐磨性能的作用。

2.3 微結構對齒輪動力學性能的影響

圖4 赫茲接觸壓力對滑動摩擦系數的影響

圖5 卷吸速度對滑動摩擦系數的影響

圖6 不同滾滑比下赫茲接觸壓力對摩擦系數的影響

構筑微結構屬于減材制造，由于改變了齒輪的外觀，所以微結構對齒輪動力學性能的影響也不可忽視。崔有正等人[42]對織構化齒輪進行了模態分析，結果顯示：在齒輪節圓附近引入仿生球形凹坑表面形態后，其各階最大振幅均有減小，在節圓處的振幅減小幅度最大；且織構化齒輪的前10階固有頻率更小，范圍更集中，不易與其他部件產生共振，如圖8、圖9所示。Gupta等人[43]測試了齒輪工作時的振動情況，考慮到齒輪嚙合時表面同時存在滾動摩擦與滑動摩擦，且各個部位的摩擦形式不同，故在齒面的不同部位加工出不同大小的微坑以對應其不同的滾滑比，并對比了不同載荷和不同節距線速度下齒輪副的振動特性等。實驗結果表明，齒面間赫茲接觸壓力為0.4 GPa時，齒面振幅在4 m/s和8 m/s的節線速度下分別降低了40%和51%，效果令人滿意。這是由于微結構的存在改善了潤滑情況，減小了齒面間的摩擦系數，增加了阻尼，從而使齒輪振幅減小，提高了齒輪的傳動平穩性。

圖7 不同滾滑比下卷吸速度對摩擦系數的影響

圖8 普通齒輪與仿生齒輪的前10階最大振幅

圖9 普通齒輪與仿生齒輪前10階固有頻率變化曲線

何國旗等人[44]從嚙合力和傳動精度兩個方面研究了微結構對面齒輪傳動性能的影響。他們選取了圓形、三角形、正方形三種凹坑形貌面齒輪與常規面齒輪進行了對比，研究結果表明，微結構的存在會使齒面接觸面積減小，故而嚙合力均大于光滑齒輪，進而使得織構化面齒輪的傳動誤差也更大一些。三種形貌中，圓形凹坑形貌的面齒輪傳動平穩性最接近光滑齒輪，在后續研究中確定了對面齒輪傳動誤差影響最小的圓形凹坑直徑為300μm[45]，優化了微結構面齒輪的傳動精度。

除此之外，微結構在齒輪根部也能發揮出令人滿意的抗彎曲疲勞作用。韓志武等人[46]使用激光在齒根處刻蝕出網狀微結構，并進行了雙齒脈動載荷的彎曲疲勞試驗。研究結果表明，微結構可以有效阻止齒根處疲勞裂紋的蔓延，大大改善了齒輪的抗彎曲疲勞性能。

3 齒面微結構的性能改善機理分析

3.1 改善潤滑情況

在齒輪工作中，添加潤滑劑能夠將齒輪嚙合時原本的固-固接觸轉化為固-液接觸，從而降低磨損率。但若加量過多，齒面則有可能被潤滑劑里的化學物質腐蝕。潤滑劑會隨著時間的推移逐漸耗盡，若得不到補充，齒輪會進入乏油潤滑狀態，極易引起齒輪失效。而在齒輪表面構建微結構，則可以有效地改善這一問題：（1）在乏油狀態下，這些微結構可以起到儲存少量潤滑油的作用，不斷地補充潤滑油，幫助齒面上形成油膜，防止嚙合處出現固-固接觸現象。（2）在富油條件下，微結構中儲存的潤滑油會產生附加的流體動壓力，引起動壓潤滑效應，每一個微坑中儲存的潤滑油都相當于一個微小的流體動壓潤滑軸承，承載了一部分外部壓力，如圖10所示。（3）齒面微結構會破壞流體的邊界層，使邊界層內的粘性流動部分與邊界層分離，相當于減小了潤滑油與齒面間的摩擦力；且在高溫高壓下，齒面微結構中易發生空化效應，破壞流體流動的穩定性，從而降低了固液間的摩擦力。

圖10 微結構齒面潤滑油的流動狀態

3.2 減輕磨粒磨損

齒面上加工出的微結構凹槽能夠收納一部分生產過程中掉落到齒面上的廢屑，減小出現劃痕的概率。剩余未能收納進微結構凹槽中的廢屑，也會被高低錯落的微結構磨圓棱角，在一定程度上減輕了磨損。

3.3 阻斷裂紋擴展

齒輪內表層處會因為應力的積累而產生裂紋，進而發生齒面點蝕；齒根處會因受到較大的彎曲應力而萌生裂紋，最終導致輪齒折斷。這部分累積應力的深度大都低于微結構的深度，在初始裂紋產生后，由于微結構的阻擋，裂紋大都無法繼續擴展，少部分繼續擴展的裂紋也無法產生大范圍的破壞。同時，齒面微結構的制造過程也會在基體上殘留大量的殘余應力，如激光加工微結構時殘余的熱應力，磨削時產生的殘余壓應力等，這些殘余應力都能中和大部分工作時累積的應力，從根源上減少了裂紋的產生，提高了齒輪的疲勞壽命。

3.4 加速溫度耗散

高低錯落的齒面微結構擴大了齒面的整體面積，加快散熱速度；減小了齒輪嚙合時的接觸面積，提高了齒輪與空氣之間傳遞熱量的效率，故而延緩了齒面溫升速度，更利于形成油膜，減小了出現齒面膠合的概率。

3.5 改變固有頻率

在齒面構筑微結構一般屬于減材制造，客觀上改變了齒輪的形貌，故其前10階固有頻率和最大振幅也會隨之變化。經計算，微結構齒輪前10階固有頻率的范圍更小，最大振幅也更小。

4 總結與展望

國內外有關學者的研究表明：在齒輪表面構筑微結構可以改善齒面潤滑情況，減輕磨粒磨損，阻斷齒輪內部裂紋擴展，減緩齒面溫升速度，改變齒輪固有頻率；齒面微結構的密度與深徑比對齒輪性能有較大影響；齒面間接觸壓力、卷吸速度和滾滑比的變化也會引起齒輪性能的變化；光柵型、網格型微結構多加工在齒根處，可以更好地改善輪齒的抗彎曲疲勞性能。綜上所述，齒輪織構化技術具有巨大的潛力，但同時也有更多相關問題值得繼續探索。

（1）從微結構形貌選擇方面。目前，面密度、深徑比、深寬比已被證實對微結構性能有較大影響，但對微溝槽的傾斜程度、排列方式，微坑內壁的曲率半徑、底部的參數均未有實際探索。且受限于加工手段，加工出的微結構多為微圓坑形和微溝槽形，對于方坑、菱形坑等其他幾何形狀僅局限于模擬仿真階段，缺乏對其實物的性能研究。

（2）從微結構位置選擇方面。目前，微結構的形貌基本為連續相同的結構構成，但由于齒輪嚙合時，嚙合處的赫茲接觸壓力、卷吸速度和滾滑比都是隨著嚙合位置的變化而變化的，所以齒面不同位置處的最佳微結構形貌并不相同，后續研究需要重點考慮此變化。

（3）從微結構齒輪的性能檢測方面。微結構改善齒輪表面諸多性能的同時，也破壞了齒輪表面的精度，且接觸應力不可避免地變大，所以抗沖擊性、減噪能力等其他性能也有檢測的必要。同時，隨著齒面間溫度與載荷的增加，潤滑油的性質也會產生變化，高溫高壓可能使潤滑油部分氣化，引起空化效應。目前缺少對微結構齒輪極端工況下的更多工作性能測試。

（4）從微結構齒輪的生產方法方面。在齒輪表面添加微結構只是齒面減摩的一種方法，多種方法的復合使用是一種新的方向，如激光毛化輔以磨料流光加工法、微結構-涂層復合法等，后續值得探究各種減摩方法之間的相互影響。現有的齒輪表面微結構加工工藝大多僅實驗室可用，不適用于工業化流水線生產，需要繼續優化。